（Table 1:某原廠TLC和QLC性能和壽命對比）

因此
，QLC要應用在嵌入式存儲設備上
，首先需要解決性能差和壽命短兩大問題。

雖然QLC還不到TLC的1/4寫入性能，但目前消費級固態存儲產品都有成熟的SLC cache機製
，能保證用戶有比較好的突發寫入性能（寫SLC的性能）。由於嵌入式存儲設備有比較充裕的空閑時間，存儲設備可以利用空閑時間把數據從SLC搬到QLC，隻要不是重度寫入場景，這部分QLC寫入性能，用戶一般感知不到。

但數據一旦寫到QLC，對比TLC
，用戶讀取性能變差。針對這個讀取性能差的問題，有一種方案是把熱數據（經常讀取）寫回SLC，但這樣無疑增加了設備複雜性
，而且數據搬移帶來了額外的寫放大，這讓壽命本來就不長的QLC“雪上加霜”。

如果說性能問題可以通過SLC解決或者緩解
，那對於QLC壽命問題
，在分區存儲引入之前

，可能的解決方案有：用戶端使用類F2FS文件係統和使用數據分流。

F2FS文件係統化隨機寫為順序寫，這會減少存儲設備內部垃圾回收導致的寫放大，但F2FS文件係統本身的垃圾回收，會給存儲設備帶來額外的寫。綜合下來
，F2FS文件係統給設備帶來的寫放大不一定減少。

數據分流需要主機和設備配合：主(zhu)機(ji)端(duan)對(dui)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)冷(leng)熱(re)甄(zhen)別(bie)，設(she)備(bei)端(duan)根(gen)據(ju)數(shu)據(ju)的(de)冷(leng)熱(re)程(cheng)度(du)把(ba)它(ta)們(men)存(cun)儲(chu)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)閃(shan)存(cun)塊(kuai)上(shang)。數(shu)據(ju)分(fen)流(liu)能(neng)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)減(jian)少(shao)存(cun)儲(chu)設(she)備(bei)寫(xie)放(fang)大(da)，但(dan)具(ju)體(ti)能(neng)帶(dai)來(lai)多(duo)大(da)收(shou)益(yi)，這(zhe)取(qu)決(jue)於(yu)用(yong)戶(hu)冷(leng)熱(re)數(shu)據(ju)的(de)比(bi)例(li)
，因(yin)此(ci)有(you)一(yi)定(ding)的(de)局(ju)限(xian)性(xing)。

今天要介紹減小寫放大的終極大招——分區存儲（Zoned Storage）

，它能消除QLC和TLC壽命之間的差異，而且能提升存儲設備性能，讓QLC應用到嵌入式存儲設備上變得可能。

（Figure 1:SMR HDD）

分(fen)區(qu)存(cun)儲(chu)設(she)備(bei)的(de)邏(luo)輯(ji)空(kong)間(jian)被(bei)劃(hua)分(fen)成(cheng)一(yi)個(ge)個(ge)連(lian)續(xu)的(de)分(fen)區(qu)
，分(fen)區(qu)內(nei)部(bu)隻(zhi)能(neng)被(bei)順(shun)序(xu)寫(xie)入(ru)。每(mei)個(ge)分(fen)區(qu)都(dou)有(you)一(yi)個(ge)寫(xie)指(zhi)針(zhen)，用(yong)於(yu)跟(gen)蹤(zong)下(xia)一(yi)次(ci)寫(xie)入(ru)的(de)位(wei)置(zhi)。分(fen)區(qu)中(zhong)的(de)數(shu)據(ju)不(bu)能(neng)被(bei)覆(fu)蓋(gai)


，必(bi)須(xu)首(shou)先(xian)使(shi)用(yong)特(te)殊(shu)命(ming)令(ling)（區域重置）擦除數據。

（Figure 2:分區存儲概念）

除了HDD，基於閃存的固態存儲設備
，也是非常喜歡順序寫入的，因為順序寫性能好，而且導致的寫放大也小。“讓主機端順序寫入”一直是固態存儲設備的夢想，在SMR HDD助力下，分區存儲生態日趨完善，NVMe也製定了ZNS（Zoned Namespace）標準
，SSD也算是“圓夢”了。

分區存儲帶來的一大好處就是能消除存儲設備內部的垃圾回收。存儲設備垃圾回收會導致兩個主要問題：一是引入寫放大，導致存儲設備壽命減少
；二是垃圾回收的同時如果伴有主機讀寫，垃圾回收操作則會影響主機讀寫性能。

（Figure 3:垃圾回收示例）

垃圾回收原理：為騰出空閑閃存塊，需要把有效數據A
、B、C從源閃存數據塊搬到新的閃存塊
，內部數據的搬移引入寫放大。寫放大 = 寫入閃存的數據量/主機寫入的數據量
，寫放大越大，對閃存磨損越厲害。

如(ru)果(guo)分(fen)區(qu)大(da)小(xiao)是(shi)存(cun)儲(chu)設(she)備(bei)閃(shan)存(cun)塊(kuai)大(da)小(xiao)的(de)整(zheng)數(shu)倍(bei)

，這(zhe)樣(yang)一(yi)個(ge)分(fen)區(qu)的(de)數(shu)據(ju)會(hui)被(bei)寫(xie)到(dao)閃(shan)存(cun)設(she)備(bei)的(de)整(zheng)數(shu)個(ge)閃(shan)存(cun)塊(kuai)內(nei)。由(you)於(yu)分(fen)區(qu)不(bu)允(yun)許(xu)覆(fu)蓋(gai)寫(xie)
，一(yi)個(ge)分(fen)區(qu)數(shu)據(ju)隻(zhi)能(neng)被(bei)整(zheng)體(ti)無(wu)效(xiao)掉(diao)
，也(ye)就(jiu)是(shi)意(yi)味(wei)著(zhe)該(gai)分(fen)區(qu)對(dui)應(ying)的(de)閃(shan)存(cun)塊(kuai)也(ye)是(shi)整(zheng)體(ti)被(bei)無(wu)效(xiao)掉(diao)（上麵沒有任何有效數據）
，因此存儲設備內部回收閃存塊無需垃圾回收——隻需要一個擦除動作。

chuantonglajihuishouyouyuxuyaobanyishancunkuaishangdeyouxiaoshuju
，huidaozhixiefangda。haiyou，weijianxiaoxiefangdahejiasulajihuishou，cunchushebeidouhuiyuliuyixieshancunkongjian（也就是我們常說的OP），以減少閃存塊上有效數據數量。現在分區存儲設備中由於不存在垃圾回收，因此沒有寫放大，同時這部分OP也可以省掉了（節省成本）。

（Figure 4:傳統SSD數據存放和分區SSD數據存放比較）

分區存儲帶來的另一大好處就是大大減少了映射表大小，從而提升係統性能，減少存儲設備成本。

基於閃存的傳統存儲設備一般按4KB邏輯塊大小為映射粒度，其L2P映射表（邏輯地址到物理地址的映射）大小一般為存儲設備容量的1/1024，比如一個512GB的UFS設備，其L2P映射表大小為512MB。企業級SSD一般都配有相應大小的DRAM來存儲運行時的L2P映射表，比如512GB的企業級SSD需要搭載至少512MB的DRAM；而業界消費級存儲設備則是出於成本考慮，一般都沒有DRAM，它利用控製器小的SRAM緩存部分L2P映射表
，而絕大多數L2P映射表都是存在閃存
，固件按需從閃存加載映射關係數據到控製器SRAM。這種DRAM-less的存儲設備，與帶DRAM的存儲設備相比
，少了DRAM的成本，但性能無疑會大打折扣

，因為控製器SRAM大da小xiao有you限xian
，對dui隨sui機ji讀du取qu場chang景jing來lai說shuo，映ying射she表biao緩huan存cun命ming中zhong率lv很hen低di，固gu件jian很hen多duo時shi候hou需xu要yao先xian從cong閃shan存cun加jia載zai映ying射she關guan係xi
，然ran後hou再zai根gen據ju獲huo得de的de物wu理li地di址zhi去qu讀du用yong戶hu數shu據ju，也ye就jiu是shi說shuo讀du取qu一yi筆bi數shu據ju需xu要yao訪fang問wen幾ji次ci閃shan存cun，意yi味wei著zhe讀du取qu性xing能neng肯ken定ding比bi隻zhi訪fang問wen一yi次ci閃shan存cun要yao慢man得de多duo。

問題的根因是傳統存儲設備映射粒度太細了
，導致映射表巨大。而分區存儲設備，我們可以按照分區大小為映射粒度。假設分區大小為128MB，一個512GB的設備有4096個分區，每個分區對應的物理地址用4字節表示

，那麼整個L2P映射表隻有16KB！這麼小的映射表完全可以存儲在控製器SRAM中，因此在企業級SSD中可節省DRAM的使用
；對消費級存儲產品來說
，L2P映射表可以常駐內存，無需從閃存中獲取映射關係，讀取一筆數據隻需訪問一次閃存，這大大加速了隨機讀取性能。

（Figure 5:嵌入式存儲協議發展路線）

存儲介質方麵，作為消費級產品，嵌入式存儲設備對成本敏感
，隨著QLC閃存的成熟


，QLC必然會應用到未來的嵌入式存儲設備上，無論是廠商還是消費者，都要做好這個心理準備。事實上，今年（2022年）年初鎧俠已經發布了基於QLC的UFS3.1產品。

QLC應用到嵌入式存儲設備上，要讓消費者用得放心
，這需要相關的技術來解決QLC介質可靠性差、壽命短、性能差等問題。因此在技術趨勢方麵，一方麵是嵌入式存儲控製器糾錯能力需要變得越來越強
；另一方麵，像數據分流
、分區存儲這些能減小寫放大的技術也會被引入，來彌補QLC壽命短這塊短板。

目前，江波龍具有基於主流3D TLC閃存的豐富的嵌入式存儲產品，從eMMC到高性能UFS3.1，從消費級存儲到車規級存儲

，產品矩陣全麵。同時，公司也在思考怎麼把存儲密度更高的QLC應用到嵌入式存儲產品上
，並開展相關技術預研工作。未來，江波龍會持續給客戶帶來更多超越期望的嵌入式存儲產品。